その他 - 突入電流防止回路の設計方法

概要

ここでは、突入電流防止回路の設計方法について記載する。

突入電流防止回路の設計では、突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗・サーミスタ)の最小抵抗値、耐量サージエネルギー、定格電流を求める必要がある。
設計方法を記載するにあたり、以下のパラメータを使用する。

• ACライン電圧V_INの実行値V_INRMS

  100[V]

• ACライン電圧V_INの変動率

  ±10[%]

• 出力電力P_OUT

  200[W]

• 電源効率η

  90[%]

• 力率cosφ

  0.8

• 入力電解コンデンサC_INの容量値

  330[uF]

• 周囲温度TA

  10[℃]～35[℃]

• 突入電流I_RUSHの仕様

  30[A]

設計手順 1 : 突入電流の仕様から突入電流防止素子の最小抵抗値を求める

突入電流防止素子の最小抵抗値RMINは、ACライン電圧V_INのピーク値V_PEAK、突入電流I_RUSHの仕様によって決まる。
一般的には、20[A]～40[A]が突入電流の仕様となる。

まず、ACライン電圧V_INのピーク値V_PEAKを求める。
ACライン電圧V_INの実行値V_INRMSが100[V]、その変動は10[%]なので、ACライン電圧V_INのピーク値V_PEAKは以下の値となる。
$V_{PEAK}=(V_{INRMS}\times 1.1)\times {\sqrt {2}}=155.6{\mbox{[V]}}$

突入電流I_RUSHの仕様が30[A]なので、突入電流防止素子の最小抵抗値R_MINは以下の値となる。
突入電流防止素子に温度ヒューズ抵抗やセメント抵抗を用いた場合は、下式で求めた値が最小抵抗値R_MINとなる。
$R_{MIN}={\frac {V_{PEAK}}{I_{RUSH}}}=5.19[\Omega ]$

しかし、サーミスタは温度によって抵抗値が変化する。
周囲温度TAの最大値が35[℃]なので、35[℃]の時の最小抵抗値がR_MINである必要がある。
例えば、35[℃]の時の抵抗値が25[℃]の抵抗値と比較して0.8倍に低下すると仮定すると、25[℃]の時において必要な最小抵抗値R_MIN(25[℃])は以下の値となる。
$R_{MIN}(25{\mbox{[ ℃ ]}})=R_{MIN}\times {\frac {1}{0.8}}=6.48[\Omega ]$

設計手順 2 : 電源投入時のサージエネルギーを求める

次に電源投入時のサージエネルギーEを求める。

電源投入時において、突入電流防止素子にかかるサージエネルギーEは以下の値となる。
下式より、サージエネルギーEは抵抗値依存症がない。また、このサージエネルギーEに耐える素子を選定する必要がある。
${\begin{aligned}E&={\frac {1}{2}}C_{IN}V_{PEAK}^{2}\\&=C_{IN}(V_{AC}\times 1.1)^{2}\\&=3.993{\mbox{[J]}}\end{aligned}}$

突入電流防止素子(サーミスタ・温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗)のデータシートには、下図のようなサージエネルギー耐量のグラフ(耐ラッシュ特性)がある。
また、表などに瞬時エネルギー耐量が記載されている。

エネルギー耐量のグラフが記載されている場合には、グラフの値を超えないように選定する。
瞬時エネルギー耐量が記載されている場合には、サージエネルギーEより大きな素子を選定する。

設計手順 3 : 通常使用時に流れる電流の最大値を求める

ACライン電圧V_INの実行値V_INRMSが100[V]、ACライン電圧V_INの変動率が±10[%]、出力電力P_OUTが200[W]、電源効率ηが90[%]、力率cosφが0.8なので、
通常使用時に流れる電流の最大値I_INRMSは以下の値となる。
$I_{INRMS}={\frac {P_{OUT}}{\eta \times cos\phi \times 0.9V_{INRMS}}}=3.08{\mbox{[A]}}$

上式において、V_INRMSの係数は0.9であるが、ACライン電圧V_INの実行値V_INRMSが最小値となる時、通常使用時に流れる電流が最大値I_INRMSとなる。
そのため、ACライン電圧V_INの実行値V_INRMSに対して、変動10[%]を引いた値としている。

安全設計する場合には、上式で求めた値に対してディレーティングを考慮する。
ディレーティングを80[%]とすると、突入電流防止回路に必要な定格電流I_RATEDは以下の値となる。
$I_{RATED}={\frac {I_{INRMS}}{0.8}}=3.86{\mbox{[A]}}$

突入電流防止回路の種類には、以下の2種類がある。

• 突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗・サーミスタ)のみを使用したパッシブICL
• 突入防止素子(温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗・サーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー・トライアック・サイリスタ)を使用したアクティブICL

突入電流防止回路の種類
突入電流防止素子(温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗・サーミスタ)のみを使用したパッシブICLの場合、通常動作時は、突入電流防止素子に電流が流れているので、
突入電流防止素子が必要な定格電流I_RATEDを満たす必要がある。

一方、突入防止素子(温度ヒューズ抵抗・セメント抵抗・サーミスタ)に並列にスイッチング素子(リレー・トライアック・サイリスタ)を使用したアクティブICLの場合、
通常動作時は、スイッチング素子に電流が流れているので、スイッチング素子が必要な定格電流I_RATEDを満たす必要がある。

※補足
突入電流防止素子にサーミスタを用いた場合、通常使用時に流れる電流の最大値に対して、余裕のある定格電流のものを選定してはならない。
余裕のありすぎるものを使用すると、温度上昇が少なくて抵抗値が下がらず、電源への供給不足となる場合があるからである。
突入電流の仕様がない場合、電源で使用される素子(ブリッジダイオード等)の定格電流を突入電流の仕様とする。